CN106441515B - 基于换向器正反行程的主标准器容积标定装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于液体流量或容积计量技术领域，具体涉及一种基于换向器正反行程的主标准器容积标定装置及标定方法。水泵设置在蓄水容器中，水泵与过滤器连接，过滤器与稳压容器连接，稳压容器与手阀连接，手阀与两位四通换向电动阀连接，两位四通换向电动阀与体积管连接，体积管活塞位于体积管中，控制器与光电开关A、光电开关B、光电开关C连接，挡光板与体积管活塞的活塞杆连接，控制器与正反向开关连接，正反向开关与两位三通换向电磁阀连接，两位四通换向电动阀与两位三通换向电磁阀连接，称量容器放于电子天平之上，设置在三通换向电磁阀右通路下，回收容器设置在三通换向电磁阀左通路下，当进行反向测试时，将二者位置互换。

Description

基于换向器正反行程的主标准器容积标定装置及标定方法

技术领域

本发明属于液体流量或容积计量技术领域，具体涉及一种基于换向器正反行程的主标准器容积标定装置及标定方法。

背景技术

体积管式液体流量校准装置是以体积管作为主标准器，其流量测量原理是：在液体流量推动体积管内活塞运动过程中，计时活塞将先后走过体积管有效容积时间Δt，根据体积流量定义式计算液体体积流量q_V：

q_V＝ΔV/Δt

式中：ΔV是体积管的有效容积，为体积管系统的二遮光片间标记的容积，须事先通过一定的测量手段准确测得，其测量准确度直接决定了流量的测量准确度，是影响流量测量准确度的主要因素。

体积管有效容积的准确度等级以相对不确定度形式表征，通常其有效容积的测量方法有动(静)态容积(质量)法和尺寸测量法。对于较大容积的体积管来说，上述测量方法带来的测量不确定度的相对值较小，均普遍适用。对于小排量体积管有效容积测量(最小640mL)，上述测量方法因其局限性也很难达到较高的测量准确度，引入容积测量相对不确定度的数值将不容忽视。

下面对与本发明最接近的动态质量法测量原理进行介绍：

质量法的标准量器为秤，其换向装置采用换向器。开始试验时，水泵向体积管注水，水依次流经体积管、换向器，最后到水池；当检测开关被触发时，启动换向器将水流从水池切换至标准量器秤；当体积管内活塞运行触发第二个检测开关时，再次启动换向器换向，将水流由标准量器换至水池，到此完成一次测量。由标准量器纳水的质量Δm可换算出体积管在二检测开关间的容积即体积管的有效容积。由于换向装置本身固有的换向不对称性，以及管路安装、液体流动状态等诸多因素的影响，必然会给测量结果带来误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于换向器正反行程的主标准器容积标定装置及标定方法，以克服现有技术存在的不足。

为达到上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种基于换向器正反行程的主标准器容积标定装置，包括蓄水容器、水泵、过滤器、稳压容器、手阀、两位四通换向电动阀、体积管活塞、体积管、挡光板、光电开关A、光电开关B、光电开关C、正反向开关、两位三通换向电磁阀、回收容器、称量容器、电子天平、控制器；水泵设置在蓄水容器中，水泵与过滤器连接，过滤器与稳压容器连接，稳压容器与手阀连接，手阀与两位四通换向电动阀连接，两位四通换向电动阀与体积管连接，体积管活塞位于体积管中，控制器与光电开关A、光电开关B、光电开关C连接，挡光板与体积管活塞的活塞杆连接，控制器与正反向开关连接，正反向开关与两位三通换向电磁阀连接，两位四通换向电动阀与两位三通换向电磁阀连接，称量容器放于电子天平之上，设置在三通换向电磁阀右通路下，回收容器设置在三通换向电磁阀左通路下，当进行反向测试时，将二者位置互换。

一种基于换向器正反行程的主标准器容积标定装置的标定方法，包括如下步骤：

步骤一、启动水泵，蓄水容器内的水经过过滤器进入稳压容器；

步骤二、打开手阀；

步骤三、控制器启动两位四通换向电动阀；

步骤四、当体积管活塞运动至右行程极限位置时，控制器控制两位四通换向电动阀换向；

步骤五、当体积管活塞运动至左行程极限位置时，控制器控制两位四通换向电动阀再次换向；

步骤六、重复步骤四和步骤五，此过程需要同时配合管路上的排气阀，以充分排净体积管内及所有关联管路中的空气，直至确定管路中充满液体，最终使体积管活塞位于最左侧，等待测试试验开始；

步骤七、选择体积管容积待测试段组合，有如下三种组合：

1)光电开关A和光电开关B分段；

2)光电开关A和光电开关C分段；

3)光电开关B和光电开关C分段；

步骤八、控制器控制正反向开关，接通两位三通换向电磁阀正换向；

步骤九、控制器启动两位四通换向电动阀，此时体积管活塞开始向右侧运动，水流入回收容器；

步骤十、待挡光板触发当前测试段上游光电开关A时，控制器控制两位三通换向电磁阀换向，此时水流入称量容器；

步骤十一、待挡光板触发当前测试段下游光电开关B时，控制器控制两位三通换向电磁阀再次换向，水又流入回收容器；

步骤十二、控制器控制控制阀两位四通换向电动阀换向，体积管活塞开始向左向运动直至回到左侧极限位位置，等待下一次测试试验；程序自动保存试验过程中体积管内温度、压力参数；

步骤十三、用电子天平称量测试过程中排到称量容器中水的质量；

步骤十四、记录该次试验过程中得到的所有原始数据；

步骤十五、控制器切换正反向开关，接通两位三通换向电磁阀反换向，并交换回收容器和称量容器的位置；

步骤十六、重复步骤九～步骤十六，即完成一次正反行程测试试验，正反行程测试试验数据的平均值即为当前分段下体积管的容积；

步骤十七、重复步骤七～步骤十七，对当前分段体积管容积进行重复测试6次，通过取6次测试试验平均值，将提高测量结果的重复性。

所述的标定方法如下：

1)正行程：

当挡光板触发上游光电开关A时，记为0点，此时控制器控制两位三通换向电磁阀导通电源；两位三通换向电磁阀从电源导通到阀芯开始换向，消耗时间t1；两位三通换向电磁阀开始换向到换向过程结束，用时为t2，在t2时间内，流入称量容器的水的流量由0上升至Q，然后水流呈稳流Q状态；挡光板下游光电开关B时，两位三通换向电磁阀从电源导通到阀芯开始换向耗时t4；两位三通换向电磁阀阀芯开始换向到结束换向用时t5，流入称量容器的水流量由Q降至0；

2)反行程：

当挡光板触发上游光电开关A时，记为0点，此时控制器控制两位三通换向电磁阀导通电源；两位三通换向电磁阀从电源导通到阀芯开始换向，消耗时间t4；两位三通换向电磁阀开始换向到换向过程结束，用时为t5，在t5时间内，流入称量容器的水的流量由0上升至Q，然后水流呈稳流Q状态；挡光板下游光电开关B时，两位三通换向电磁阀从电源导通到阀芯开始换向耗时t1；两位三通换向电磁阀阀芯开始换向到结束换向用时t2，流入称量容器的水流量由Q降至0；

3)正反向测试消除换向系统误差理论依据的数学推导：

由于换向时间及正反换向不对称性的存在，此过程当中不可避免存在少计入或多计入进入称量容器水量的问题；设体积管体积为M，正向测试时，设流入称量容器的水的体积为V表示为S_AEFH，首次换向少计入的水量可表示为S_OAHQ的面积，末次换向多计入的水量为S_MEFN；反向测试时，设流入称量容器的水的体积为V₂表示为S_FHAE，首次换向少计入称重量器的水量为S_OFEQ,末次换向对计入的水量为S_NHAM；由于正向测试的首次换向即为反向测试的末次换向，正向测试的末次换向即为反向测试的首次换向，f₂(t)＝Q-f(t)，g₂(t)＝Q-g(t)，因此有等式(1)和(2)：

S_OAHQ＝S_NHAM (1)

S_MEFN＝S_OFEQ (2)

M＝V+S_OAHQ-S_MEFN (3)

M＝V₂+S_OFEQ-S_NHAM (4)

所以有：

2M＝V+V₂+S_OAHQ-S_NHAM+S_OFEQ-S_MEFN (5)

即：

M＝(V+V₂)/2 (6)。

本发明所取得的有益效果为：

本发明通过对动态质量法改进，提出一种基于换向器正反行程的高准确度主标准器容积标定方法，抵消测量误差，实现小排量体积管有效容积容积(最小640mL)的高准确度的测量，提高以小排量体积管为主标准器的液体流量标准装置的测量准确度水平。

本发明采用秤作为标准量器，三通电磁阀作为换向装置，设计专门的电磁阀控制信号反相电路，实现电磁阀在得电和失电两种状态下对体积管有效容积分别进行测量并取两次测量值的平均值，使非对称性换向变为对称换向，从而抵消由于两种换向速度不一致带来的系统误差，提高微小体积管有效容积的测量准确度。

附图说明

图1为基于换向器正反行程的主标准器容积标定装置结构图；

图2为正反向测试原理图；

图中：1、蓄水容器；2、水泵；3、过滤器；4、稳压容器；5、手阀；6、两位四通换向电动阀；7、体积管活塞；8、体积管；9、挡光板；10、光电开关A；11、光电开关B；12、光电开关C；13、正反向开关；14、两位三通换向电磁阀；15、回收容器；16、称量容器；17、电子天平。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1、本发明所述基于换向器正反行程的主标准器容积标定装置包括蓄水容器1、水泵2、过滤器3、稳压容器4、手阀5、两位四通换向电动阀6、体积管活塞7、体积管8、挡光板9、光电开关A10、光电开关B11、光电开关C12、正反向开关13、两位三通换向电磁阀14、回收容器15、称量容器16、电子天平17、控制器；

水泵2设置在蓄水容器1中，水泵2与过滤器3连接，过滤器3与稳压容器4连接，稳压容器4与手阀5连接，手阀5与两位四通换向电动阀6连接，两位四通换向电动阀6与体积管8连接，体积管活塞7位于体积管8中，控制器与光电开关A10、光电开关B11、光电开关C12连接，挡光板9与体积管活塞7的活塞杆连接，控制器与正反向开关13连接，正反向开关13与两位三通换向电磁阀14连接，两位四通换向电动阀6与两位三通换向电磁阀14连接，称量容器16放于电子天平17之上，设置在三通换向电磁阀14右通路下，回收容器15设置在三通换向电磁阀14左通路下，当进行反向测试时，将二者位置互换。

基于换向器正反行程的主标准器容积标定装置的标定方法包括如下步骤：

步骤一、启动水泵2，蓄水容器1内的水经过过滤器3进入稳压容器4；

步骤二、打开手阀5；

步骤三、控制器启动两位四通换向电动阀6；

步骤四、当体积管活塞7运动至右行程极限位置时，控制器控制两位四通换向电动阀6换向；

步骤五、当体积管活塞7运动至左行程极限位置时，控制器控制两位四通换向电动阀6再次换向；

步骤六、重复步骤四和步骤五，此过程需要同时配合管路上的排气阀，以充分排净体积管内及所有关联管路中的空气，直至确定管路中充满液体，最终使体积管活塞7位于最左侧，等待测试试验开始；

步骤七、选择体积管8容积待测试段组合，有如下三种组合：

4)光电开关A10和光电开关B11分段；

5)光电开关A10和光电开关C12分段；

6)光电开关B11和光电开关C12分段；

步骤八、控制器接通正反向开关13，并控制两位三通换向电磁阀14正换向；

步骤九、控制器启动两位四通换向电动阀6，此时体积管活塞7开始向右侧运动，水流入回收容器15；

步骤十、待挡光板9触发当前测试段上游光电开关(如光电开关A10)时，控制器控制两位三通换向电磁阀14换向，此时水流入称量容器16；

步骤十一、待挡光板9触发当前测试段下游光电开关(如光电开关B11)时，控制器控制两位三通换向电磁阀14再次换向，水又流入回收容器15；

步骤十二、控制器控制控制阀两位四通换向电动阀6换向，体积管活塞7开始向左向运动直至回到左侧极限位位置，等待下一次测试试验。程序自动保存试验过程中体积管内温度、压力等参数。

步骤十三、用电子天平17称量测试过程中排到称量容器16中水的质量；

步骤十四、记录该次试验过程中得到的所有原始数据；

步骤十五、控制器切换正反向开关13，接通电磁阀反换向测试控制电路，并交换回收容器15和称量容器16的位置；

步骤十六、重复步骤九～步骤十六，即完成一次正反行程测试试验，正反行程测试试验数据的平均值即为当前分段下体积管8的容积；

步骤十七、重复步骤七～步骤十七，对当前分段体积管容积进行重复测试6次，通过取6次测试试验平均值，将提高测量结果的重复性。

基于上述标定装置的标定方法的原理如下：

图2所示，横坐标t表示时间，纵坐标Q表示水的瞬时流量。坐标轴上部阴影面积代表标准量器的累积体积，下部阴影面积为实际体积管有效体积。

1)正行程：

当挡光板9触发上游光电开关(如光电开关A10)时，记为0点，此时控制器控制两位三通换向电磁阀14导通电源。两位三通换向电磁阀14从电源导通到阀芯开始换向，消耗时间t1；两位三通换向电磁阀14开始换向到换向过程结束，用时为t2，在t2时间内，流入称量容器16的水的流量由0上升至Q，然后水流呈稳流Q状态；挡光板9下游光电开关(如光电开关B11)时，两位三通换向电磁阀14从电源导通到阀芯开始换向耗时t4；两位三通换向电磁阀14阀芯开始换向到结束换向用时t5，流入称量容器16的水流量由Q降至0，见图2正行程图所示。

2)反行程：

当挡光板9触发上游光电开关(如光电开关A10)时，记为0点，此时控制器控制两位三通换向电磁阀14导通电源。两位三通换向电磁阀14从电源导通到阀芯开始换向，消耗时间t4；两位三通换向电磁阀14开始换向到换向过程结束，用时为t5，在t5时间内，流入称量容器16的水的流量由0上升至Q，然后水流呈稳流Q状态；挡光板9下游光电开关(如光电开关B11)时，两位三通换向电磁阀14从电源导通到阀芯开始换向耗时t1；两位三通换向电磁阀14阀芯开始换向到结束换向用时t2，流入称量容器16的水流量由Q降至0，见图2反行程图所示。

3)正反向测试消除换向系统误差理论依据的数学推导：

由于换向时间及正反换向不对称性的存在，此过程当中不可避免存在少计入或多计入进入称量容器16水量的问题。设体积管体积为M，正向测试时，设流入称量容器16的水的体积为V表示为S_AEFH，首次换向少计入的水量可表示为S_OAHQ的面积，末次换向多计入的水量为S_MEFN；反向测试时，设流入称量容器16的水的体积为V₂表示为S_FHAE，首次换向少计入称重量器的水量为S_OFEQ,末次换向对计入的水量为S_NHAM；由于正向测试的首次换向即为反向测试的末次换向，正向测试的末次换向即为反向测试的首次换向，f₂(t)＝Q-f(t)，g₂(t)＝Q-g(t)，因此有等式(1)和(2)：

S_OAHQ＝S_NHAM (1)

S_MEFN＝S_OFEQ (2)

M＝V+S_OAHQ-S_MEFN (3)

M＝V₂+S_OFEQ-S_NHAM (4)

所以有：

2M＝V+V₂+S_OAHQ-S_NHAM+S_OFEQ-S_MEFN (5)

即：

M＝(V+V₂)/2 (6)

Claims (3)

1.一种基于换向器正反行程的主标准器容积标定装置，其特征在于：包括蓄水容器(1)、水泵(2)、过滤器(3)、稳压容器(4)、手阀(5)、两位四通换向电动阀(6)、体积管活塞(7)、体积管(8)、挡光板(9)、光电开关A(10)、光电开关B(11)、光电开关C(12)、正反向开关(13)、两位三通换向电磁阀(14)、回收容器(15)、称量容器(16)、电子天平(17)、控制器；水泵(2)设置在蓄水容器(1)中，水泵(2)与过滤器(3)连接，过滤器(3)与稳压容器(4)连接，稳压容器(4)与手阀(5)连接，手阀(5)与两位四通换向电动阀(6)连接，两位四通换向电动阀(6)与体积管(8)连接，体积管活塞(7)位于体积管(8)中，控制器与光电开关A(10)、光电开关B(11)、光电开关C(12)连接，挡光板(9)与体积管活塞(7)的活塞杆连接，控制器与正反向开关(13)连接，正反向开关(13)与两位三通换向电磁阀(14)连接，两位四通换向电动阀(6)与两位三通换向电磁阀(14)连接，称量容器(16)放于电子天平(17)之上，设置在三通换向电磁阀(14)右通路下，回收容器(15)设置在三通换向电磁阀(14)左通路下，当进行反向测试时，将称量容器(16)与回收容器(15)二者位置互换。

2.一种基于换向器正反行程的主标准器容积标定装置的标定方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、启动水泵(2)，蓄水容器(1)内的水经过过滤器(3)进入稳压容器(4)；

步骤二、打开手阀(5)；

步骤三、控制器启动两位四通换向电动阀(6)；

步骤四、当体积管活塞(7)运动至右行程极限位置时，控制器控制两位四通换向电动阀(6)换向；

步骤五、当体积管活塞(7)运动至左行程极限位置时，控制器控制两位四通换向电动阀(6)再次换向；

步骤六、重复步骤四和步骤五，此过程需要同时配合管路上的排气阀，以充分排净体积管内及所有关联管路中的空气，直至确定管路中充满液体，最终使体积管活塞(7)位于最左侧，等待测试试验开始；

步骤七、选择体积管(8)容积待测试段组合，有如下三种组合：

1)光电开关A(10)和光电开关B(11)分段；

2)光电开关A(10)和光电开关C(12)分段；

3)光电开关B(11)和光电开关C(12)分段；

步骤八、控制器控制正反向开关(13)，接通两位三通换向电磁阀(14)正换向；

步骤九、控制器启动两位四通换向电动阀(6)，此时体积管活塞(7)开始向右侧运动，水流入回收容器(15)；

步骤十、待挡光板(9)触发当前测试段上游光电开关时，控制器控制两位三通换向电磁阀(14)换向，此时水流入称量容器(16)；

步骤十一、待挡光板(9)触发当前测试段下游光电开关时，控制器控制两位三通换向电磁阀(14)再次换向，水又流入回收容器(15)；

步骤十二、控制器控制控制阀两位四通换向电动阀(6)换向，体积管活塞(7)开始向左向运动直至回到左侧极限位位置，等待下一次测试试验；程序自动保存试验过程中体积管内温度、压力参数；

步骤十三、用电子天平(17)称量测试过程中排到称量容器(16)中水的质量；

步骤十四、记录该次试验过程中得到的所有原始数据；

步骤十五、控制器切换正反向开关(13)，接通两位三通换向电磁阀(14)反换向，并交换回收容器(15)和称量容器(16)的位置；

步骤十六、重复步骤九～步骤十六，即完成一次正反行程测试试验，正反行程测试试验数据的平均值即为当前分段下体积管(8)的容积；

步骤十七、重复步骤七～步骤十七，对当前分段体积管容积进行重复测试6次，通过取6次测试试验平均值，将提高测量结果的重复性。

3.根据权利要求2所述的基于换向器正反行程的主标准器容积标定装置的标定方法，其特征在于：所述的标定方法如下：

1)正行程：

当挡光板(9)触发上游光电开关时，记为0点，此时控制器控制两位三通换向电磁阀(14)导通电源；两位三通换向电磁阀(14)从电源导通到阀芯开始换向，消耗时间t1；两位三通换向电磁阀(14)开始换向到换向过程结束，用时为t2，在t2时间内，流入称量容器(16)的水的流量由0上升至Q，然后水流呈稳流Q状态；挡光板(9)触发下游光电开关时，两位三通换向电磁阀(14)从电源导通到阀芯开始换向耗时t4；两位三通换向电磁阀(14)阀芯开始换向到结束换向用时t5，流入称量容器(16)的水流量由Q降至0；

2)反行程：

当挡光板(9)触发上游光电开关时，记为0点，此时控制器控制两位三通换向电磁阀(14)导通电源；两位三通换向电磁阀(14)从电源导通到阀芯开始换向，消耗时间t4；两位三通换向电磁阀(14)开始换向到换向过程结束，用时为t5，在t5时间内，流入称量容器(16)的水的流量由0上升至Q，然后水流呈稳流Q状态；挡光板(9)触发下游光电开关时，两位三通换向电磁阀(14)从电源导通到阀芯开始换向耗时t1；两位三通换向电磁阀(14)阀芯开始换向到结束换向用时t2，流入称量容器(16)的水流量由Q降至0；

3)正反向测试消除换向系统误差理论依据的数学推导：

由于换向时间及正反换向不对称性的存在，此过程当中不可避免存在少计入或多计入进入称量容器(16)水量的问题；设体积管体积为M，正向测试时，设流入称量容器(16)的水的体积为V表示为S_AEFH，首次换向少计入的水量可表示为S_OAHQ的面积，末次换向多计入的水量为S_MEFN；反向测试时，设流入称量容器(16)的水的体积为V₂表示为S_FHAE，首次换向少计入称重量器的水量为S_OFEQ,末次换向对计入的水量为S_NHAM；由于正向测试的首次换向即为反向测试的末次换向，正向测试的末次换向即为反向测试的首次换向，f₂(t)＝Q-f(t)，g₂(t)＝Q-g(t)，因此有等式(1)和(2)：

S_OAHQ＝S_NHAM (1)

S_MEFN＝S_OFEQ (2)

M＝V+S_OAHQ-S_MEFN (3)

M＝V₂+S_OFEQ-S_NHAM (4)

所以有：

2M＝V+V₂+S_OAHQ-S_NHAM+S_OFEQ-S_MEFN (5)

即：

M＝(V+V₂)/2 (6)。